《数据库系统原理》教案

《数据库系统原理》教案教学内容第七章数据库设计教材章节第七章教学周次教学学时6授课对象计算机科学与技术信息管理与信息系统教学环境多媒体教室教学目的本章具体阐明如何设计一种数据库系统。教学重点需求分析的过程、办法及成果体现（介绍一种CASE工具）。概念构造设计的办法与环节。逻辑构造设计（E_R图向数据模型的转换原则）教学难点根据需求分析中的数据流程图进行数据抽象、概念模型（E-R模型）的构造、数据库的逻辑模型的生成与优化。教学过程本章分3次讲述，每次2学时，每次重要讲述下列内容介绍以下：第一次：需求分析过程办法及其成果体现。第二次：概念构造设计的办法与环节。第三次：逻辑构造及物理构造设计。作业与规定P234第6、7、9、11、12、13、18、19。备注本提交文档内容与次序与实际授课内容与次序有不一致的地方。数据库设计7.1数据库设计的环节设计局部视图设计局部视图集成视图集成视图设计逻辑构造设计逻辑构造优化逻辑模型优化逻辑模型设计物理构造设计物理构造评价物理构造评价物理构造2、概念构造设计3、逻辑构造设计4、数据库物理设计数据库系统的物理实现实验性运行5、数据库实施6、数据库运行和维护1、需求分析2、概念构造设计3、逻辑构造设计4、数据库物理设计数据库系统的物理实现实验性运行5、数据库实施6、数据库运行和维护1、需求分析需求分析：精确理解与分析顾客需求（涉及数据与解决）。是最困难、最耗时的一步。作为地基的需求分析与否做得充足与精确，决定了在其上构建数据库大厦的速度与质量。做得不好，甚至会造成整个数据库设计返工重做。概念构造设计阶段：通过对顾客需求进行综合、归纳与抽象，形成一种独立于具体DBMS的概念模型。逻辑构造设计阶段：将概念构造转换为某个DBMS所支持的数据模型，并对其进行优化。数据库物理设计阶段：为逻辑数据模型选用一种最适宜的应用环境的物理构造（涉及存储构造和存取办法）数据库实施阶段：设计人员运用DBMS提供的数据语言及其宿主语言，根据逻辑设计和物理设计的成果建立数据库，编制与调试应用程序，组织数据入库，并进行试运行。数据库运行和维护阶段：数据库应用系统通过试运行后即可投入正式运行。运行过程中必须不停地对其进行评价、调节与修改。设计一种完善的数据库应用系统是不可能一蹴而就的，往往是上述6个阶段的不停重复过程。7.2需求分析需求分析的过程需求分析需求分析4、拟定系统边界3、明确顾客需求4、拟定系统边界3、明确顾客需求2、熟悉业务活动1、调查组织机构总体状况概念设计顾客与设计人员交互顾客与设计人员交互数据流图数据流图数据字典调查组织机构总体状况：调查这个组织由哪些部门构成，各部门的职责是什么等，为分析信息流程做准备。熟悉业务活动状况：调查各部门输入和使用的数据，数据的加工和解决，输出信息，输部门，输出的成果格式等。是调查的重点。明确顾客需求：在熟悉业务活动的基础上，协助顾客明确对新系统的多个规定，涉及信息规定、解决规定、安全性与完整性规定。调查重点。拟定系统边界：对调查的成果进行初步分析，拟定整个系统中，哪些由计算机完毕，哪些将来由计算机完毕，哪些由手工完毕。由计算机完毕的功效就是新系统应当实现的功效。*需求分析任务（上述4步概括，也可直接用上述4点回答）：通过具体调查现实世界要解决的对象，充足理解原系统（手工系统或计算机系统）的工作概况，明确顾客的多个需求，然后在此基础上拟定新系统的功效。新系统必须充足考虑此后可能的扩充和变化不能仅仅按现在应用的需求来设计数据库。其重点是调查、收集与分析顾客在数据管理中的信息规定、解决规定、安全性与完整性规定。*顾客的信息规定：顾客要从数据库中得到哪些信息，这些信息的具体内容和性质，从中拟定数据库中应存储哪些数据。*顾客的解决规定：顾客要完毕什么样的解决功效，对某种解决规定的响应时间，涉及的数据，解决方式是联机还是批解决。调查办法跟班作业：通过亲生参加业务工作来理解业务活动的状况。此法能够比较精确理解顾客的需求，但比较耗费时间。开调查会：通过与顾客座谈来理解业务活动状况及顾客需求。座谈时，参加者之间能够互相启发。请专人介绍：询问：对某些调查中的问题，能够找专人询问。设计调查表请顾客填：如果调查表设计得合理，此办法很有效，也易于为顾客接受。查阅统计：查阅与原系统有关的数据统计顾客和设计人员对设计工作的最后成果共同承当责任让顾客主动参加和配合调查，设计人员应当和顾客获得共同的语言，协助不熟悉计算机的顾客建立数据库环境下的共同概念在众多分析和体现顾客需求的办法中，构造化分析办法（structuredanalysis,SA办法）是一种最为简朴实用的办法。SA办法用自顶向下，逐步分解的方式分析系统，用数据流图、数据字典描述系统。即设计人员首先需要把任何一种系统抽象为下图形式，再数据存储数据存储数据输出数据来源解决数据流数据流数据输出数据来源解决将解决功效的具体内容分解为若干子功效，在把每个字功效继续分解，直到把系统的工作过程体现清晰为止。在解决功效分解的同时，他们所用的数据也逐级分解，形成若干层次的数据流图。数据流图表达数据与解决间的关系。数据字典则详尽描述系统中的数据。对数据库设计来说，数据字典是进行具体的数据收集和数据分析所获得的重要成果。在数据字典中的内容在数据库设计过程中还要不停修改、充实、完善。需求分析举例例：学校管理系统，经可行性分析和初步需求调查，抽取出该系统的最高层数据流图，共3个子系统教师管理子系统，学生管理子系统，后勤管理子系统。每个子系统分派一种开发小组。学生管理子系统涉及学籍管理和课程管理。数据字典数据字典普通由数据项、数据构造、数据流、数据存储和解决过程构成。数据项：不可分割的数据单位数据项描述={数据项名，数据项的含义阐明，别名，数据类型，长度，取值范畴，取值含义，与其它数据项的逻辑关系}例：库存数量范畴、含义数据构造数据构造描述={数据构造名，含义阐明，构成：{数据项或数据构造}}数据流能够是数据项，但更普通的状况是数据构造。表达某一解决过程的输入或输出数据。数据流描述={数据流名，阐明，数据流来源，数据流去向，构成：{数据构造}，平均流量，高峰期流量}平均流量：单位时间（每天、每七天、每月等）里的传输次数。高峰期流量：高峰时期的数据流量。数据存储：解决过程中要存储的数据数据存储描述={数据存储名，阐明，输入数据流，输出数据流，数据量（每次存储多少数据），存取频度（每天或每小时或每月存取几次），存取方式（批解决还是联系解决，是检索还是更新，是次序存取还是随机存取）}解决过程：数据字典中只描述解决过程的阐明性信息。具体解决逻辑普通用鉴定表与鉴定树来描述。解决过程描述={解决过程名，阐明，输入：{输入流}，输出：{输出流}，解决：{简要阐明解决过程的功效及解决规定}}阐明：数据字典以能将数据描述清晰为度。7.3概念构造设计最惯用的办法自底向上设计概念构造法，普通分两部：抽象数据并设计局部视图，集成局部视图子需求子需求子需求子需求子需求子需求子需求子需求……….概念模式概念模式概念模式概念模式概念模式概念模式概念模式概念模式……….概念模式概念模式概念模式概念模式……….……..全局概念模式全局概念模式图概念构造设计方略概念构造设计概念构造设计集成视图抽象数据，设计局部视图集成视图抽象数据，设计局部视图需求分析逻辑构造设计总E_R图总E_R图分E_R图数据流图数据字典图概念构造设计数据抽象与局部视图设计选择局部应用根据系统的具体状况，在多层数据流图中选择一种适宜层次的数据流图，让这组图中每一部分对应局部应用，设计分E—R图。往往以中层数据流图作为设计分Ｅ—Ｒ图的根据，因它较好反映系统中各局部应用子系统的构成。如果局部应用比较复杂，能够从更下层的数据流图入手。从图6-5图6-6（a）入手设计学生管理子系统的分E-R图逐个设计分E—R图**将收集在数据字典中局部应用所涉及的数据抽取出来，参考数据流图标记局部应用中的实体、实体属性、标记实体的码，拟定实体间的联系及其类型（１:１，１:n，1:m）。实体抽象：将一组含有某些共同特性和行为的对象抽象为一种实体。对象与实体间是“ismemberof”关系。属性抽象：对象类型的构成成分能够抽象为实体的属性。构成成分与对象类型间的关系是“ispartof”关系**有时实体与属性之间很难有截然划分的界限，同一事物，在一种应用环境中作为“属性”，在另一种应用环境中就必须作为实体。例：学校的系。有些环境下只作为属性描述，而在另某些环境中作为实体描述**拟定属性准则（考虑到）：属性不能再含有需要描述的性质。即属性必须是不可分的数据项，不能再由另外某些属性构成。例子：属性不能与其它实体有联系。联系只发生在实体间。例子：职称职称教师职称教师分派分派教师性别姓名职称职称姓名性别教师性别姓名职称职称姓名性别住房住房为了简化E_R图的解决，现实世界中的事物凡能够作为属性的，应尽量作为属性。例：设计学籍管理局部应用的分E-R图，可用相似办法设计其它局部应用的分E-R图**学籍管理局部应用的分E-R图草图教室上课管理班级班主任11mn教室上课管理班级班主任11指导构成指导构成nn住宿归档档案材料宿舍学生1n11住宿归档档案材料宿舍学生**学籍管理局部应用的分E-R图草图调节，得到分E-R图性别与宿舍分派有关，根据属性准则2应调节为实体（与否描述全）。性别拥有学生住宿宿舍性别拥有学生住宿宿舍数据存储“学生记录表”，有用部分已经转入学生档案中，因此不必作为实体了（与否重复描述）。**学籍管理局部应用的分E-R得到分E-R图的全部实体属性视图集成分E-R图分E-R图基本基本E-R图修改与重构修改与重构（消除不必要的冗余）合并（消除冲突）集成视图合并（消除冲突）集成视图规范化理论规范化理论分析初步E-R图分析初步E-R图合并分Ｅ—Ｒ图，初步生成Ｅ—Ｒ图消除冲突。各分ER图之间的冲突重要有三类：属性冲突，命名冲突，构造冲突属性冲突属性域冲突。例：学号类型不同分E_R图中分别被阐明为整形或字符型。属性的取值单位冲突。命名冲突同名异义异名同义命名冲突在实体、联系和属性上都可能发生。其中属性命名冲突更为常见。通过讨论、协商等行政手段加以解决。构造冲突同一对象在不同的应用中含有不同的抽象。如课程在某一局部应用中被当作实体，而在另一局部应用中被当作属性。用属性准则加以统一。同一实体在不同应用局部应用中所包含的属性不完全相似，或属性的排列次序不同。解决办法为取属性的并集。实体间的联系在不同的局部应用中呈现不同的类型。解决办法：根据应用的语义对实体联系的类型进行综合或调节例：学生管理子系统中学籍管理与课程管理局部视图分E_R图存在的冲突学籍管理中的“班主任”与课程管理的“教师”在一定程度上属于异名同义。统一为教师（职工号，姓名，性别，职称，与否为优秀班主任）班主任改为教师后，将两种联系（指导与教学）也综合为教学联系性别在两个局部应用中含有不同的抽象。学籍管理中为实体，课程管理中为属性。根据属性准则进行合并。学生实体的属性的构成与次序在两个不同的分E-R图中都存在差别，应将全部属性综合，并重新调节次序。解决上述冲突后得到的学生管理子系统的初步E-R图为：档案材料班级档案材料班级归档构成管理归档构成管理`住宿宿舍性别拥有学生教学教师住宿宿舍性别拥有学生教学教师成绩讲授选修成绩讲授选修上课教室开设教科书课程上课教室开设教科书课程修改与重购，生成基本Ｅ-Ｒ图**目的：消除冗余的数据和冗余的实体间的联系（冗余容易破坏数据库的完整性，给数据维护增加困难）如：工资单（基本工资，多个补贴，应扣房租水电，实发工资）实发工资=基本工资+多个补贴–应扣房租水电（在数据字典中阐明）学生（学号，姓名，出生年月，年纪，所在系，年级，平均成绩）年纪=现在年份–出生年月平均成绩由学生选课联系中的成绩属性推算出上课联系可由其它联系推算出**冗余的消除办法：重要为分析法，其分析根据是用数据字典中有关数据项之间逻辑关系的阐明来消除冗余。**并不是全部冗余数据与冗余联系都必须加以消除：为了提高某些应用效率，不得不以冗余信息作为代价。如需要经常查询学生的平均成绩，每次读都需要计算效率就太底，保存该冗余数据能提高效率。（重点）**冗余数据的一致性维护：触发器。任何一科成绩修改或学生学了新的科目并有了成绩后，就触发该触发器去修改该学生的平均成绩属性值。（重点）7.4逻辑构造设计重要工作：1、ER图向数据模型转换；2、数据模型优化；3、设计顾客子模式ER图向数据模型转换*将ER图转换为关系模型：将实体、实体属性、和实体间的联系转换为关系模式*转换的普通原则：一种实体型转换为一种关系模式，实体的属性就是关系的属性，实体的码就是关系的码。一种m:n联系转换为一种关系模式。属性：由与该联系相连的实体码及联系本身的属性构成。码与该联系相连的实体码的组合。如学生选课联系。一种1:n联系能够转换为独立的关系模式，也能够与n端对应的关系模式合并。如学生“构成”班级联系，能够转换成：构成（学号，班级号）（独立的关系模式，码为n端实体的码）或学生（学号，姓名，出生年月，所在系，年级，班级号，平均成绩）（与多端关系模式合并，）两种表达办法达成同样的目的：学生由构成班级状况。但后一种状况能减少系统中表的个数，更惯用。1：1联系能够转换为独立的关系模式，也能够与任意一端对应的关系模式合并。例：教师“管理”班级联系（反映了班主任与班级的对应关系），能够转换为独立的关系模式管理（职工号，班级号）或管理（职工号，班级号）与任一端合并班级（班级号，学生人数，职工号）或教师（职工号，姓名，性别，职称，班级号，与否优秀班主任）注：基于效率考虑，有时联系与某一端合并效率更高。如要经常查询某个班级的班主任名，则管理联系与教师关系合并更加好些。因素是能减少连接操作。三个或三个以上实体间的联系转换为一种关系模式。与该多元联系相连的各实体的吗以及联系本身的属性均转换为关系的属性。关系的码为实体码的组合。如：授课（课程号，职工号，书号）自联系即同一实体集的实体间联系，也按上述办法解决。含有相似码的关系模式可合并：两个关系模式含有相似的主码，能够考虑将他们合并为一种关系模式。例：拥有（学号，性别）学生（学号，姓名，出生年月，所在系，年级，班级号，平均成绩）合并为：学生（学号，姓名，性别，出生年月，所在系，年级，班级号，平均成绩）例：根据上述的7个转换规则，学生管理子系统中的18个实体和联系能够转换为下列关系模型实体（9个）：有档案材料，班级，宿舍，性别，学生，教师，教室，课程，教科书联系（9个）：归档，构成，管理，住宿，拥有，教学，选修，讲授，开设实体：有档案材料（档案号，…..）班级（班级号，学生人数）宿舍（宿舍编号，地址，人数）4性别性别（性别）考虑书上属性“宿舍楼”与否显多出？学生（学号，姓名，出生年月，所在系，年级，平均成绩）1档案号，2班级号，5性别，教师（职工号，姓名，性别，职称，与否为优秀班主任）3班级号教室（教师编码，地址，容量）课程（课程，课程名，学分）9教室号教科书（书号，书名，价钱）联系：（其中只有6、7、8三个需要独立关系模式描述）归档：1：1归并到学生实体（档案号）构成：学生“构成”班级n：1，归并到“学生”（班级号）管理：教师“管理”班级1：1，归并到“教师”（班级号）住宿：性别“住宿”宿舍1：n，归并到“宿舍”（性别）拥有：学生“拥有”性别n：1，归并到“学生”（性别）教学：学生与教师间的关系m：n，独立关系模式：教学（职工号，学号）选修：选修（学号，课程号，成绩）讲授：讲授（课程号，职工号，书号）开设：课程“开设”教室n：1，归并到“课程”（教室号）数据模型优化*适宜修改、调节数据模型的构造。普通以规范化理论为指导。设计顾客子模式（自看）使用更符合顾客习惯的别名针对不同级别的顾客定义不同的外模式，以满足系统对安全性的规定简化顾客对系统的使用7．5数据库的物理设计一、拟定数据库的物理构造数据库的物理设计：对于设计好的逻辑数据模型选择一种最符合应用规定的物理构造。物理构造指：数